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復水管における熱伝達 (第1報) : 水平復水管について

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(1)

復水管における熱伝達 (第1報) : 水平復水管につ

いて

著者

田中 義弘, 玉利 賢一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

2

ページ

63-70

別言語のタイトル

HEAT TRANSFER COEFFICIENTS OF CONDENSER TUBES

(REPORT 1) : ON A HORIZONTAL CONDENSER TUBE

URL

http://hdl.handle.net/10232/10632

(2)

復水管における熱伝達 (第1報) : 水平復水管につ

いて

著者

田中 義弘, 玉利 賢一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

2

ページ

63-70

別言語のタイトル

HEAT TRANSFER COEFFICIENTS OF CONDENSER TUBES

(REPORT 1) : ON A HORIZONTAL CONDENSER TUBE

URL

http://hdl.handle.net/10232/00004490

(3)

復 水 管 に お け る 熱 伝 達 ( 第 1 報 )

( 水 平 復 水 管 に つ い て )

田 中 義 弘 * ・ 玉 利 賢 一 *

HEATTRANSFERCOEFFICmNTSOFCONDENSER rUBES(REPORT1)

(ONAHORIZONTALCONDENSERTUBE)

YoshihiroTANAKA,MasakazuTAMARI

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andofMcAdams,sdatainregardtotheinclinationofthecurves・ ReceivedMay31,1962. 1 . 緒 言

管内に冷却水を流し,管外の蒸気の熱を取り去って

管外表面に蒸気を凝結させるいわゆの復水管について

の研究は早くから数多く行なわれており,この際凝結

水が膜状になるばあいと滴状になるばあいとがおこる

ことが知られている.膜状凝結についてはNusseltl),

Schmidt2),Sparraw3)4),Grigull5)等が研究し,膜状凝

結状態の理論的解析や熱伝達係数の実験式などを提示

している.また滴状凝結についてはGnam6),菅原外

7),岐美8)によって研究され,滴の形成や滴の滴下の周

期,熱伝達係数などについて一応の研究がなされてい

る.しかしながら,いまだこれらの実験資料はわづか

であって,なかでも復水管が水平,垂直,傾斜してい

るばあいの凝結の良否についての系統的研究はあまり

されていない.特に滴状凝結現象については熱伝達の

機構も,熱伝達係数の一般的整理法もいまだほとんど

未開拓の状態である.

本研究は復水管の水平,垂直または傾斜の度合とそ

の蒸気側熱伝達係数の変化,特に滴状凝結時と膜状凝

結時とを系統的に比較し,復水器計画の基礎資料を明

準 織 械 工 学 教 室

らかにする目的ではじめたもので,ここにその第1報

として水平復水管についての一実験結果を報告する.

2.実験装置および方法

実験条件をできるだけ簡単化するため蒸気箱中央に

1本の復水管をもった単純な復水器を使用した.蒸気

箱内の蒸気圧は大気圧よりわずかに高くし,またその

温度はその圧力の飽和温度よりわづかに高い値に過熱

し,乾き度100%の蒸気状態に保った.また蒸気室内

の蒸気の流動はできるだけ小さくなるようにつとめ,

静止蒸気と見なして実験をすすめた.

第1図が実験装置の全体図である.B:竪型ボイラ

ー,S:復水器木体,C:復水器,WT:冷却水タンク

(水頭が一定になるように溢流ロを付けてある).

復水器の詳細寸法は第2図に示すとおりで,正面は

ガラス張りとし,内部の状況を外から直視すること

も,写真に撮ることもできる.蒸気は復水器上部の三

つの流入孔からとり入れ,その出口には邪魔板Dを設

けて復水器内の蒸気温度ができるだけ一ようになるよ うに,また蒸気流が復水管に速度をもって吹きつけら れないようにした.器中の蒸気温度の一よう'性はrs1, rs2,rs3なる3本のアルコール寒暖計によって見当づけ

(4)

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鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 . 告 第 2 号

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64 一

第 1 図 る.復水管は全長1150mm,復水器内部で蒸気にされ

る部分の長さが900mm,その中央付近の試験部分の

長さが480mm,管外径は16mm,内径は13mmの

黄銅管である.試験部分の凝結水を採集し,その量お

よび温度を測定するため図中のEでしめす樋を使用し

た.この樋はi隔約30mm,断面の形は逆八字形のブリ

キ製で,復水管の垂直下方約30mmのところに管と

約5。の傾きでとりつけてある.両端面は復水管にと

りつけるためと試験復水管部を区切るための仕切板に

なっており,間に熱絶縁材としてゴム環をはさんで復 水管にとりつけた.凝結液の温度はrcなる銅一コンス 認 P

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た.蒸気の精密な温度としてはあらかじめ検定ずみの ベックマン温度計の読みを採用した.これで0.001度 まで読むことができる.復水器内の蒸気圧力はPSな る水柱マノメータによって測定した.これは常に大気 圧以上4∼6mmH20とした.蒸気温度はこの状態の 飽和温度より0.3∼0.5℃過熱した状態であるが,過熱 するには復水器にはいる蒸気管を外側からガスコンロ で熱する方法でおこなった.かくして完全な乾き蒸気 としてそのエンタルピーを正確に求めることができ る. 第3図は復水管および凝結水受け器の詳細図であ

= 手 第 2 図

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(5)

田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報)

65

第 3 図 第 4 図 タンタン熱電対により測定した.復水量はMなるメ スビューレットと秒時計とにより容積を求めて算出し た. 第4図に復水管表面温度測定用の銅-コンスタンタ ン熱電対のとりつけ要領をしめした.とりつけ位置は 管軸に平行な一直線上の3点で,その関係は図にしめ した.とりつけ点からのリード線の引き出し方は管周 囲に沿って接線方向とし,導線よりの放熱や,導線に 付着した凝結水によって温度測定値や,凝結水量が影 響をうけないように十分注意した.実験は熱電対位置 を管中心を含む垂直面内においておこなった.冷却水 の出入口温度の測定は復水管中心に沿ってアルミニウ ム保護管に挿入した熱電対により測定した.熱電対先 端位置は丁度試験部分の端の管断面中心部とし,正確 に中心に支持するために針金の支柱を管内に入れた. この測定点は丁度凝結水採集用樋の取付部中心とも一 致する.熱電対の指示はすべて横河電機製作所製の P-1型精密級直流電位差計および検流計によって精密 に測定した. 冷却水は高さ約2mのWTタンクから復水管内に 流した.管内流速の変更は出口のコックKの調節によ り,測定した流速範囲は0.15m/s∼0.78m/sで,こ れは冷却水量にして20cC/S∼100cC/Sに相当する. 冷却水量の測定は計量槽(メスシリンダ)Nと秒時計 によった. 復水管表面の凝結状態が膜状凝結になるか滴状凝結 になるかは蒸気の純度(主として空気含有率),水の表 面張力,伝熱面の熱負荷,表面状態など複雑な要素に 左右され,そのいづれかの凝結状態になぜなるかの理

論的解析も十分明らかにされていないのが実状で,筆

者らは結局経験的資料にもとづいて次のような方法で それぞれの凝結状態を実現して実験した.すなわち膜 状凝結をうるためには,管表面を05のエメリーペー パーでよく研磨し,さらに稀塩酸で洗い,さらにその 後を完全に水で洗って後,苛性加里の水溶液をうすく 塗布した.また滴状凝結をうるためには前者と同よう に水洗いまでは同じで後表面にオレイン酸を一面にう すく塗布した.これによってえられた凝結状態の写真 が第5図(a),(b)である.以上の方法でうまくゆく と2∼3時間は同一の凝結状態を保つことができた が,しかしながらなかなか希望の凝結状態をえられな いこともありいく度か繰りかえした.なぜ凝結状態が 違うかという点についてはさらに物性論的な研究が必 要であろう.実験は蒸気条件,表面の凝結様式を同じ にして冷却水量を変えたときの諸数値を測定する方法 によりすすめた. 3.実験結果の整理法 復水器内の蒸気条件は圧力PS,温度TBで代表させ た.この際アルコール寒暖計tS1∼tS3の測度差はほと

(6)

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○ 0 J 。.営直撫埋fl 第 7 ( a ) 膜 状 凝 結 一 器 C77L (b)滴 第 んどみとめられない程度であった.符表面温度分布の 膜状凝結,滴状凝結のばあいの例が第6,第7図で, 状 凝 結 5 図 これを試験区間にわたる曲線にして,その面砿積分値 を試験区間長さで割ったものをもって智壁平均表面温 度とした. 蒸気が復水管にあたえた熱堂は蒸気のもつエンタル ピーと復水のエンタルピーとの差であるべきであり, これはまた冷却水の受けとった熱量にひとしいはずで ある.測定の結果は復水のエンタルピーから算出した 熱量が少なく,冷却水のエンタルピーが高いめの値で あることが明らかとなった.これは凝結水が蒸気中に さらされている樋によって集められて後温度を測るた め,その温度測定までの間に再加熱がおこなわれてい ると見られ,これはこの種の実験では除きがたい誤差 である.よって冷却水の受熱量をより正確な蒸気の放

熱量であるとみて以下の検討をすすめた.なお検討中

に使用した物,性値として蒸気の蒸発瀦熱,比熱,水の 熱導率は参考文献の(9),(10),(11)により各々の値 を採用した. ノ00 45 90 24 管.長

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騨樫穏庖噸迩→I 0 9 “幽謂層韻迦十I 』 4 . 結 果 の 検 討 1 ) 復 水 逓 に つ い て 冷却水平均流速0.15m/sから0.75m/sまでの間

を5段階に変えて復水量の変化を測定したのが第8図

である.膜状,滴状いづれの凝結状態でも冷却水流速 の増加とともに復水量は増加している.その増加の傾 /

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(7)

岨 田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報) 差が大きく,このため伝熱量が大きく復水量も大きい のである. 2)蒸気側管壁温度について

第9図が蒸気側管壁温度変化で,膜状凝結,滴状凝

結ともに冷却水流速の増加とともに低下している.両

者の傾向はほとんど平行で,その差は約1°Cである.

流速に対する蒸気と管壁との温度差に書きあらためる

と第10図であり,流速の増加とともに4rは増大す

るが,これも流速の大きいところではしだいになだら

かとなりフラットになってゆく.これは管表面にでき

る液膜または液滴の層が復水量の増大とともに厚くな

ってゆくが,むやみに厚くはならずある厚みにおちつ

いてゆくためであろう. 3)熱負荷について

伝熱面を通過した熱量Qを伝熱面積で割った値を

単位面積あたりの熱負荷とみて,蒸気と管表面温度と

の差4rに対しプロットしたのが第11図である・こ

こにQは冷却水の受熱量を用いた.図にみるごとく

温度差とともに熱負荷も上昇する.滴状凝結のばあい

はほとんど直線的に上昇し,膜状凝結のばあいは上昇

がなだらかな曲線をえがく.これからみて滴状凝結の

方が著しく伝達がい良ことが察せられる.

4)蒸気側熱伝達係数について 第 1 表 q』 1J 、 》 q u 滴 状 凝 結 Q D 膜 状 凝 結 Q r gD/QF 、 グ 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 2 0 . 3 C l 4 0 . 5 −〉禽却71〈速度’7?蛤 冷 却 水 速 度 、 / s 復 水 量 cC/S 。一涌状凝結 ×−1習uノミ凝結 結 。 801 0 0 , ノ 0 . 2 1 0 . 4 1 0 6 1 0 . 8 24 70 00。 第 9 図 0,ノ020.3Cl40.50,60.70.8 −〉禽却71〈速度’7?蛤 2.630 2.165 1.21

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67 ∼ 0 j2 箪騨︲ 畔 12 /00 同 【 ヶ 061 O C M C L 2 C B O 4 0 , 5 0 . 6 a 7 q 8 −y等dlZ7kjさ度尭 第 8 図

向ははじめは急で,流速の大きいところでは上昇はし

だいになだらかとなる.復水量が増加することは水の

蒸発潜熱にくらべて感熱は小さいから,復水温度の多

少の高低を無視して考えると放熱量が多くなることを

あらわしている.よって流速とともに放熱量は増大す

るが,流速が大きくなると放熱量の増大の度合は少な

くなる.膜状臓結と滴状凝結をくらべると,浦状凝結

の方が復水量が多く,その量は第1表のごとくやく

1.1∼1.2倍であった.これは膜状凝結では蒸気と伝熱

面とが凝結水膜を通して接するため,伝熱が悪く,滴

状凝結のばあいは距視的には滴と滴との間に蒸気と伝

熱面と直接接触する部分があり,この点の両者の温度

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、 αD/α'i'=1.5∼1.9におよぶことがわかった.ただし αDは滴状凝結,αFは膜状凝結のときの熱伝達係数 である.そうしてその比は流速の大きい範囲ほど大き 蒸気から伝熱面への熱伝達係数αKca]/m2h°Cを 冷却水流速に対して求めたのが第12図および第2表 である.流速とともにαは低下してゆくが流速が早 くなるとしだいに一定値に近づいてゆく.第8図と併 せてみると復水量が増大すると熱伝達係数は悪くなっ ていくことになる.これは復水が多くなるにつれて表 面の液層が伝熱を害する結果'3)'4)'5)であろう.膜状凝 結と滴状凝結とをくらべてみると明らかに滴状凝結の 方が熱伝達がよい.これは従来諸家')2)が表明してい ることであるが,吾々の実験結果からはその程度は 68

2 牛 6 8 / 0 ノ 2 ノ 4 / 6 ノ 8 2 0 − 温 度 差 ( 4 わ ℃ 第 1 1 図 0 〃 β 0 2 0 4 1 3 0 ‘ “ q 5 0 0 6 0 0 7 0 q 8 0 −→為奇引く蓮J斑,髭 第 1 2 図 第 2 表 26694 17703 1.508 滴 状 凝 結 α D 膜 状 凝 結 α F aD/aF 20209 10609 1.892 冷 却 水 速 度 m / s 熱 伝 達 係 数 Kcal/m2hPC 21117 12369 1.708

0.1510.30104510.6010.75

20569 10673 1.93 ' 2 0 4 1 3 0 “ 0 q 5 0 D 6 0 0 7 0 C l 師 1

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(9)

田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報) 69 l l l I I l 3““ 状凝結についてMcAdamsl5)は1気圧の蒸気につい て実験しており,その結果を図中にしめしたが恥直 線(膜状凝結)とほとんど同じ傾向の傾きである.た だし両者は重ならず,筆者らの実測値がやく1.4倍大 きかったが,この点はMcAdamsの測定条件の詳細 が明らかでないため明確な批判はここではできない. Nusse1t1)は同じく膜状凝結に関して水平,垂直管 の間の熱伝達係数の関係式を理論的にみちびき,つぎ のように与えている.

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α

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7

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た だ し α圧:水平管外の熱伝達係数Kcal/m2h°C. αV:垂直管外の熱伝達係数Kcal/m2h℃. 〃:垂直管の基準面よりの高さ、. ‘:管の外径、・ である.さらに垂直管の膜状凝結時熱伝達係数の理論 式から導いて同じくNusse1t')は 5800+23(オs+齢)

α

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を与えている.ただし r§:蒸気温度。c, rw:管壁平均温度℃. (2)式を(1)式に代入すると

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α'[=w(rs-鼎

となる.この式は熱伝達係数を温度のみの関数として あらわした式で,筆者らの実験結果を代入して計算し てみると第3表となり,その値をプロットしたのが第 14図中の“NuSselt式より,’としるした線である.実 測結果のF線と傾きがいくらか逸うが絶対値はほぼ 一致した. 浦状凝結に対してはいまだ見るべき実験値や計算式 100.33 茎へま3エ以蕊廟導輔411 、

∼ ∼

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-20000 耐、 六、 、 、 煮 、 、く へ ミヘユ 70000 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 6 -挙温震整いjboc 第 1 3 図 100.06

︾迦迦“皿抑、岬“

呈追琶逗編嵯判型蕪→I 、I 484 411 339 293 291 ノ 2 4 6 8 〃 2 1 “ 6 0 8 0 ノ ” →温度差(』if)℃ 第 1 4 図 くなる. 4r-aの関係図が第13図であるが,』rがますほど α は 低 下 し て ゆ き α D が α F よ り も は る か に 大 き い 傾向も同ようである. log4r−logaの関係をあらわすと第14図のように 右下りの直線的関係になる.図中D,Fは筆者らが求 めた滴状凝結および膜状凝結時のαの値である.膜 滴状凝結 26694 22741 21117 20569 20209 第 3 表 3.63 7.73 10.83 13.03 15.03 50063 ●。。■色 707房35 33222 13467 50505 ●●も◆◆ 00000 05647 ●■■●■ 09285 75544 76555 32765 02834 冷 却 水 速 度 、/s 蒸 汽 温 度 oC 膜状凝結 4.66 8.56 1156 14.06 15.86 ヌ セ ル ト 数 ノVhm 17703 15024 12369 10673 10609 50505 13467 ①●●巳■ 00000 34.0 25.0 22.8 22.0 21.6 15154 12906 11890 11260 10879 61.5 46.8 38.6 34.7 33.0 、p o新状』詫鑑 x噸欽ソ疑締 ×−鯉:臓梶鮪 。-“狂羅

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70 へ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 2 号

177

345

111

ぼ同一傾向であることが明らかとなった.なお本実験 において,伝熱量の測定精度をさらに向上する必要があ り,また今後滴状凝結時の熱伝達係数の値に影響する 要素を明らかにし,このばあいの熱伝達係数の実験式 や理論式の解明をすすめる考えである. 木研究に際し,貴重な御助言,御指導をいただいた 石神重男教授に深謝の意を表わします.また実験に協 力した鹿大工学部機械工学科学生,徳森照和,山下重 信,田中義勝の3君の労を謝します. がほとんどない現状である. 5)熱伝達係数の無次元数での表示

熱伝達係数から平均Nusselt数IVi1mを算出し,こ

れと温度差と蒸気温度の比なる無次元数を求めてプロ

ットしたのが第15図である.ここに ス:凝結水の熱伝導率Kcal/mhoC・ 長さのヂメンジョン:‘m、 をとった.jVhmは膜状凝結においては約290∼480, 滴状凝結において約550∼730である.ここでも直線 的関係が成立している. 参 考 文 献 W・Nusselt,Z・Ver、deut・Ingr.,S、541,549 (1916) E、SChmidt,W・Schuring,andW・Sellschopp, TechMech、Thermodynam.,1:53(1930) E,M・SparrowandJ.L‘Gregg・Trans・AS− ME,seriesC,JoumalofHeatTransfbr・Feb、− 13(1959) E・MSparrowandJ.L、Gregg,Trans・AS− ME,seriesC,JournalofHeatTransfer,Nor、 -291(1959) U・Grigun,Forseh・Gebietelngenieurw,13: 49-57(1942) Gnam,E、,Forsch-Heft、382(1937)S,17. 菅 原 菅 雄 , 岐 美 格 : 日 本 機 械 学 会 論 文 集 , 節 22巻,120号(昭31) 岐美格:機械の研究,第9巻8号∼10号(昭 32) VDI-Wasserdampftafeln.(1952) IntemationalCriticalTables、 同 上 Dukler,AE.,Bergelin,O・P.,ChemEngg・ Progr.,48(1952)p、557. Kirschbaum,E,Chem・Ing・Tech.,24(1952) S、393. Hahnemann,H、W、,ZVDI,100(1958)S, 60. W.H・McAdams,HeatTransmisson(1954) 4 ) 図uWI o痴状蛙諦

711123

×膜状)崖誌 9 ) 10) 11) 12) 第 1 5 図 『1J1Jロ 2 4 6 , 8 ノ 0 2 0 4 0 6 0 8 0 / 0 0 −シjタ'ig 5 ) 8 ) 6 ) 7 ) 5 . 結 論 大気圧よりわづかに高い乾燥蒸気がほぼ静止してい るとみられる復水器中の単一水平復水管について,冷 却水流速を変えたばあいの管表面における膜状凝結と 滴状凝結について実験した結果,冷却水速度が増すに つれて復水量は増大するが,熱伝達係数はしだいに低 下してゆくこと,滴状凝結の熱伝達係数は膜状凝結の それより約1.5∼1.9倍大きいこと,log4rとlogαの 関係は直線であらわされ,膜状凝結についてはその絶

対値はNusseltの与えた理論式から求めた値とほぼ

一致すること,傾向はMcAdamsの実験結果ともほ

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